Versuch 10. Rektifikation und Rektifizierkolonne

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1 Praktikum Physikalische Chemie Versuch 1 Rektifikation und Rektifizierkolonne Bestimmung der theoretischen Bodenzahl einer Rektifikationskolonne am Beispiel eines binären Gemisches ktualisiertes Versuchsskript, 14. Oktober 215 ~ 1 ~

2 1 Mögliche Themen zum Lernen 1. Hauptsätze der Thermodynamik 2. Intensive und extensive Größen 3. Destillation/Rektifikation 4. Phasendiagramme, Siedediagramme 5. Ideale und reale Mischungen (Wechselwirkungen) 6. ktivität und chemisches Potential 7. Gesetzt von Dalton, Henry und Raoult (Vergleich mit realem Verlauf) 8. Siede-/ Kondensationslinie 9. Hebel-Gesetz 1. zeotrop (hoch-/tiefsiedend; Trennung) 11. Gibbs-Phasenregel; Freiheitsgrade 12. Modell der Rektifikation; theoretischer Boden; Typen von Kolonnen 13. Flüchtigkeit 14. Rücklaufverhältnis 15. Wasserdampfdestillation 16. Schlepper-Destillation ~ 2 ~

3 2 ufgabenstellung Es ist das Konzentrationsdiagramm des binären Systems Cyclohexan/n-Hexan aufzunehmen. Dabei soll die Zahl der theoretischen Böden einer Rektifikationskolonne bestimmt werden. Ebenfalls soll das zeitliche Verhalten der Destillatzusammensetzung bei der Rektifikation des binären Gemisches untersucht werden. ~ 3 ~

4 3 Einige theoretische Grundlagen Unter der Rektifikation versteht man ein Destillationsverfahren, bei dem in einem rbeitsgang eine nreicherung der leichter flüchtigen Komponente erreicht wird, die der sukzessiven usführung von zwei oder mehreren Einzeldestillationen entspricht. Dies geschieht mit Hilfe von Kolonnen, in denen der aus der Blase aufsteigende Dampf mit der ihm entgegen strömenden Flüssigkeit in möglichst innigen Kontakt steht. Unter der Zahl der theoretischen Böden einer Kolonne versteht man die nzahl von Einzeldestillationen, die nötig wären, um dieselbe nreicherung der leichter flüchtigen Komponente zu erreichen wie mit Hilfe der Kolonne. Zur quantitativen Beschreibung von Destillation und Rektifikation bedient man sich des Raoult schen Gesetzes, das für ideale Mischungen gilt: p p x (1) p p x (2) B B B pn : Partialdrücke der Komponenten im Dampfraum xn : Molenbrüche (Stoffmengenanteile) der Komponenten in der Flüssigkeit p N : Dampfdrücke der reinen Komponenten Weiterhin gilt: p py (3) pb pyb (4) p : Gesamtdruck im Dampfraum yn : Molenbrüche der Komponenten im Dampfraum us den Gleichungen (1) und (2) folgt für ein System mit zwei Komponenten: p p x p x p p x p x B b B B 1 (5) ~ 4 ~

5 3 Einige theoretische Grundlagen Durch weiteres Ersetzen mit den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich nun aus Gleichung (5): y p x 1 1 y pb x (6) Die Größe p p B wird relative Flüchtigkeit genannt. Sie wird per Übereinkunft für die leichter flüchtige Komponente angegeben. us Gleichung (6) ergibt sich also folglich: y x 1y 1x (7) Für den ersten Schritt einer Rektifikation gilt nun: y y x (8) x 1 1 B 1 B 1 Für den zweiten Schritt ergibt sich: y x (9) y x 1 2 Mit Hilfe dieser zwei Gleichungen ergibt sich nun: y x 2 x (11) y x x B 2 B 2 B 1 ~ 5 ~ (1) B 1 B 2 Für den n-ten Schritt ergibt sich dann folglich die Gleichung: y y B x 1 xb 1 n n (12) n Entnimmt man kein Destillat (totaler Rücklauf), so ist der Exponent n in dieser Gleichung gleich der theoretischen Bodenzahl der Kolonne. Durch uflösen der Gleichung nach n könnte man also aus Sumpf- und Destillatzusammensetzung die theoretische Bodenzahl einer Kolonne bestimmen. Einfacher ist jedoch die graphische Bestimmung der theoretischen Bodenzahl aus dem Konzentrationsdiagramm, in dem die Dampfdruckkonzentration y einer Komponente (meist der leichter flüchtigeren) in bhängigkeit von der Konzentration x dieser Komponenten in der Flüssigkeit aufgetragen wird. Kennt man die usgangszusammensetzung x1 und die Destillatzusammensetzung xe, so lässt sich eine Treppenfunktion in das Diagramm eintragen, deren Stufenzahl gleich der nzahl der theoretischen Böden ist (vgl. z.b. Organikum, Kap. 2.3).

6 Die graphische Bestimmung der theoretischen Bodenzahl bei Entnahme des Destillats, d.h. bei nicht vollständigem Rücklauf, ist ebenfalls möglich. Hierfür führt man das Rücklaufverhältnis V, als Verhältnis der Stoffmenge des Rücklaufs zur Stoffmenge des aus der Kolonne entnommenen Destillats, ein. V nl n n g l (13) Nun lässt sich für die uftragung im Gleichgewichtsdiagramm (y über x) eine ustauschgerade berechnen: Wobei V 1 y x x V 1 V 1 k (14) k x den Molenbruch des am Kolonnenkopfs übergehenden Destillats darstellt (Konstante). Mit Hilfe dieser Geraden, welche Betriebslinie genannt ist, ist es möglich, die Zahl der theoretischen Böden graphisch zu ermitteln, analog dem Vorgehen oben. Vergleichen sie hierzu die bbildungen 3.1 und 3.2. ~ 6 ~

7 3 Einige theoretische Grundlagen ~ 7 ~

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9 4 Experimentelle Durchführung Folgende pparaturen stehen ihnen zur Verfügung: 1. eine einfache Destillationsapparatur, mit der sie das Gleichgewichts- und Siedediagramm aufnehmen werden 2. eine Füllkörperkolonne 3. eine Glockenbodenkolonne 4.1 ufnahme der Eichkurve Brechungsindex/Zusammensetzung us n-hexan und Cyclohexan stellt man Gemische mit den Molenbrüchen.1,.2,.3,..,.9 her. Überlegen sie sich eine Formel, die angibt, welche Volumina der beiden Komponenten jeweils zusammen gegeben werden müssen und rechnen sie die Volumina schon zu Hause aus! Bitte Informieren sie sich auch über die zu verwendenden Chemikalien (Gefährlichkeit, Handhabung,...). Gehen sie von der Definitionsgleichung für den Molenbruch aus. ls Gesamtmolzahl wird gewählt: nges =.2 Weitere ngaben sind: n-hexan =.663 g cm -3 Mn-Hexan = 86:18 Cycolexan =.778 g cm -3 MCyclohexan = 84:16 Zur Herstellung der Mischung stehen ihnen Büretten zur Verfügung. Mit Hilfe des bbe- Refraktometers werden dann die Brechungsindices der Mischungen und der Reinkomponenten bei 2 C bestimmt. (chten sie bitte auf die Temperatur!) us den gemessenen Werten ergibt sich nun die Kalibrierkurve. ~ 9 ~

10 4.2 ufnahme des Gleichgewichts- und eines Siedediagramms (einfache Destillationsapparatur) Mit der einfachen Destillationsapparatur misst man die Dampfkonzentration im Siedegleichgewicht von jeder der neun hergestellten Lösungen. Dazu wartet man ab, bis das System den stationären Zustand erreicht hat. Um nun das Gleichgewichtsdiagramm zu erstellen, trägt man den Molenbruch von n-hexan in der Dampfphase gegen den Molenbruch in der flüssigen Phase auf. In dieses Diagramm soll auch die Gleichgewichtskurve eingetragen werden, die man unter der nnahme, dass eine ideale Mischung vorliegt, ausgehend von Gleichung 7 berechnen kann (vgl. bb. 3.1). Zur Berechnung von können folgende Dampfdrücke der reinen Komponenten bei 75 C verwendet werden: 847,6 Torr (n-hexan) und 556,3 Torr (Cyclohexan). Des Weiteren soll für jede Mischung und für die Reinkomponenten der Siedepunkt bestimmt werden. us diesen Werten zeichnet man ein Siedediagramm. Bezeichnen sie in diesem Diagramm die Kondensations- und Siedelinie. 4.3 Bestimmung der Zahl der theoretischen Böden der Rektifizierkolonne bei totalem Rücklauf (Füllkörperkolonne) Die Füllkörperkolonne wird nun bei totalem Rücklauf betrieben (Einstellung am Dest- Star: closed ). Der Siedekolben wird mit etwa 4 ml Lösung befüllt (etwa 5 Mol % n- Hexan). Die genaue Zusammensetzung ist über den Brechungsindex zu bestimmen. Der Heizpilz wird auf Stufe 1 gestellt. Nachdem nun das Destillat den Kolonnenkopf erreicht hat (Kontrolle am Kolonnenkopfthermometer), wartet man noch etwa 1,5 h, bis die Probe entnommen werden kann. Die Entnahme der Probe erfolgt bei einem Rücklaufverhältnis von 3:1 (Dest-Star: normal ; reflux: 3 ; withdrawal: 1 ). Die Zusammensetzung der Probe wird erneut über den Brechungsindex bestimmt. Mit diesem Wert und dem Wert der nfangszusammensetzung der Lösung, kann man jetzt ~ 1 ~

11 aus dem Gleichgewichtsdiagramm die Zahl der theoretischen Böden der Kolonne graphisch ermitteln. Fertigen Sie dazu zwei Diagramme an: Eines unter der nnahme totalen Rücklaufs und eines für das Rücklaufverhältnis 3:1 (vgl. bbildung 3.2) Berechnen Sie zudem ausgehend von Gl. 12 die nzahl der theoretischen Böden. 4.4 Rektifikation bei gleichzeitiger Entnahme (Füllkörperkolonne) Nun wird die Kolonne nochmals kurz unter vollständigem Rücklauf betrieben (Einstellung am Dest-Star: closed ). Dann wird ein Rückflussverhältnis von 2,5:1 gewählt (Dest-Star: normal ; reflux: 2,5 ; withdrawal: 1 ). Nun wird alle 5 min die Destillatzusammensetzung mittels Brechungsindex gemessen, bis sich ein konstanter Wert einstellt. Es soll bei jeder Entnahme auch die Kolonnenkopftemperatur bestimmt werden. Nun wird die Konzentration von n-hexan im Destillat als auch die Kopftemperatur gegen die Zeit aufgetragen (in ein Diagramm, zwei y-chsen). Diskutieren sie ihre Ergebnisse. 4.5 Glockenbodenkolonne Die Glockenbodenkolonne wird bei unendlichem Rücklaufverhältnis in Betrieb genommen. In erster Linie dient dieser Teil des Versuches zur Demonstration des Temperatur und Konzentrationsgradienten innerhalb einer solchen Kolonne. Nach dem sich etwa nach vier bis fünf Stunden das Gleichgewicht in der Kolonne eingestellt hat (Kontrolle am obersten Thermometer), werden die Temperaturen an den einzelnen Thermometern abgelesen und an den dazugehörenden Öffnungen das Destillat entnommen und die Zusammensetzung mittels Brechungsindex bestimmt. In einem Diagramm soll nun der Molenbruch von n-hexan an den verschiedenen Entnahmestellen (Stoffgradient) gegen die an diesen Stellen gemessene Temperatur (Temperaturgradient) aufgetragen werden. ~ 11 ~

12 5 Literatur G. Wedler: Lehrbuch der physikalischen Chemie, 5. uflage, S ; S ; S ; S P.W. tkins: Physikalische Chemie, 3. uflage, S ; S Organikum: 21. uflage; Kapitel 2.3 Destillation und Rektifikation /phasen/phasen_gesamt.vlu.html /aufbau/aufbau.vlu.html /praktikum/rektifikation_praktikum.vlu.html ~ 12 ~